2.4: Entropía y Energía
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La mayoría de los estudiantes que han tenido alguna química conocen el principio de la Segunda Ley de la Termodinámica con respecto al trastorno creciente de un sistema. Las células son estructuras muy organizadas u ordenadas, lo que lleva a algunos a concluir erróneamente que la vida de alguna manera viola la segunda ley. De hecho, esa noción es incorrecta. La segunda ley no dice que la entropía siempre aumenta, solo eso, dejada sola, tiende a hacerlo, en un sistema aislado. Las células no son sistemas aislados, en que obtienen energía, ya sea del sol, si son autótrofas, o alimentos, si son heterótrofas. Para contrarrestar la tendencia universal hacia el desorden a escala local se requiere energía. Como ejemplo, tome una baraja de cartas fresca que esté perfectamente alineada con Ace-King-Queen.. 4,3,2 por cada palo. Lanza la baraja al aire, dejando que las cartas se dispersen. Cuando los recojas, estarán más desordenados que cuando empezaron.
Sin embargo, si pasas unos minutos (y gastas un poco de energía), puedes reorganizar el mismo mazo de regreso a su estado anterior, organizado. Si la entropía siempre aumentaba en todas partes, no podrías hacer esto. No obstante, con el aporte de energía, superaste el desorden. El costo de combatir el desorden es la energía.
Hay, por supuesto, otras razones por las que los organismos necesitan energía. Contracción muscular, síntesis de moléculas, neurotransmisión, señalización, termorregulación y movimientos subcelulares son ejemplos. ¿De dónde viene esta energía? Las monedas de energía son generalmente moléculas que contienen fosfato de alta energía. El ATP es el más conocido y más abundante, pero el GTP también es una fuente de energía importante (requerida para la síntesis de proteínas). CTP participa en la síntesis de glicerofosfólidos y UTP se utiliza para la síntesis de glucógeno. En cada uno de estos casos, la energía está en forma de energía química potencial almacenada en los enlaces multifosfato. Hidrolizar esos enlaces libera la energía en ellos.
De los trifosfatos, el ATP es la fuente primaria de energía, actuando para facilitar la síntesis de los demás por acción de la enzima NDPK. El ATP se produce mediante tres tipos distintos de fosforilación: fosforilación oxidativa (en mitocondrias), fotofosforilación (en cloroplastos de plantas) y fosforilación a nivel de sustrato (en reacciones catalizadas enzimáticamente).